3 列ローラー旋回ベアリングとは何ですか?またどのように機能しますか?

3 列ローラー旋回ベアリングの定義

A 三列ローラー旋回ベアリング は、アキシアル荷重、ラジアル荷重、および転倒モーメントの組み合わせをすべて 1 つのコンパクトなベアリング ユニット内で同時に伝達できるように特別に設計された、大径で耐久性の高い回転支持要素です。主に 1 つの主要な荷重方向向けに設計された標準のボール ベアリングや単列ローラー ベアリングとは異なり、3 列ローラー構成では、これら 3 つのタイプの力が、幾何学的に分離された 3 つの専用の円筒ローラー列に分散されます。この構造的な分業により、各列をその特定の荷重タイプに合わせて個別に最適化することができ、その結果、同等の範囲内で単列設計で管理できる荷重容量をはるかに超えるベアリングを実現できます。

「旋回」という用語は、ベアリングの主な機能を指します。つまり、2 つの大きな構造コンポーネントの間で、ゆっくりと制御された回転運動 (通常は 1 分あたり 10 回転未満) を可能にすることです。これにより、旋回ベアリングとモーターやタービンで使用される高速ベアリングが区別されます。 3 列ローラー旋回ベアリングは、クローラー クレーン、大型掘削機、海洋プラットフォーム、風力タービンのヨー システム、重工業用ターンテーブルなど、世界で最も要求の厳しい機械の中心部に使用されており、極端な複合荷重下での信頼性は交渉の余地がありません。

構造の解剖学: 3 つの列がどのように配置されているか

このタイプの軸受の決定的な構造的特徴は、軸受リング アセンブリ内の独自の専用軌道にそれぞれ収容された 3 つの異なる列の円筒形ローラにわたって荷重支持機能が分離されていることです。これらの列が物理的にどのように配置されているかを理解することは、実際の動作条件下でベアリングがどのように機能するかを理解するために不可欠です。

上下のアキシャルローラー列

3 つのローラー列のうち 2 つは水平方向に配置されており、1 つはベアリング断面の上部付近に、もう 1 つは下部付近に配置されています。これらは軸方向の列であり、そのローラーは上部と下部の軌道輪に機械加工された水平軌道上を走行します。これらの列のローラーは軸が垂直に向いているため、垂直軸に沿って作用する力、つまり転倒モーメントによって生じる下向きの圧縮荷重と上向きの引張力の両方に抵抗します。クレーンのブームが伸びて重い荷物を持ち上げると、そのモーメントによって上部リングが下部リングに対して傾こうとします。軸方向の上部列は負荷側の圧縮に抵抗し、軸方向下部の列は反対側の揚力に抵抗します。これら 2 つの列は一緒になって、回転構造を安定に保つモーメント偶力を管理します。

中央ラジアルローラー列

2 つの軸方向の列の間に 3 番目の列、つまり放射状の列が配置されます。これらのころは、軸が水平に向いており、外輪の内面と内輪の外面に機械加工された垂直軌道上を走行します。それらの機能は、ラジアル荷重、つまり水平方向に作用し、外輪に対して内輪を横方向に変位させようとする力に抵抗することです。船上のクレーンや平坦でない地面で動作する掘削機では、風、ダイナミックな動き、不均一な地面の反力によって大きな横力が発生します。半径方向の列はこれらの力を吸収し、動作中を通じて 2 つのベアリング リングの同心の位置合わせを維持します。

リングと軌道の構造

ベアリング アセンブリは通常、従来のベアリングに見られる 2 つのリングではなく、3 つのリングで構成されています。外輪と内輪は主要な構造部材を形成し、中間リング（中間リングとも呼ばれる）は上部アキシアル軌道を下部アキシアル軌道から分離し、ラジアル列の取り付け面を提供します。この 3 つのリング構造により、物理的に 3 列の配置が可能になり、列間で応力を伝達することなく複合荷重に対処する優れた能力がベアリングに与えられます。

動作原理: 負荷分散の動作原理

3 列ローラー旋回ベアリングの動作原理は、ローラー接触と荷重経路の幾何学的分離の基本機構に根ざしています。ベアリングが実際の動作条件にさらされると、複数の力が同時に作用するため、ベアリングは個々のローラーや軌道に過負荷をかけることなく、これらのそれぞれを安定した適切に分散された接触応力状態に解決する必要があります。

円筒線接触とボールポイント接触

動作原理の重要な点は、ボールではなく円筒形のローラーを使用することです。ボールは軌道面と点接触します。理論上は 1 点ですが、実際には負荷がかかると小さな楕円形の接触パッチになります。これに対し、円筒ころは全長に渡って軌道面と線接触します。これにより接触面積が劇的に増加し、その結果、加えられた任意の荷重に対するヘルツ接触応力 (単位面積あたりの圧力) が減少します。その結果、円筒ころ軸受は、軌道材料の応力限界に達する前に、同等サイズの玉軸受よりも大幅に高い荷重に耐えることができます。負荷が日常的に数百キロニュートンまたは数千キロニュートンに達する重機の旋回ベアリングの場合、この接触形状の違いが、ボール設計ではなくローラー設計が指定される根本的な理由です。

アキシャルカップルによるモーメント分解能

転倒モーメントがベアリングにかかると、たとえばクレーンが上部構造を傾けようとする偏心した荷重を持ち上げるとき、このモーメントは 2 つの軸方向ローラー列に作用する偶力に分解されます。荷重がかかる側の列には圧縮力が増大し、反対側の列にはリングを引き離す引張反力が生じます。 2 つの軸方向の列の間の垂直方向の分離距離 (モーメント アーム) によって、特定のモーメントの大きさに対するこれらの反力の大きさが決まります。垂直方向の間隔が大きくなると、各列に必要な力が減少します。そのため、3 列ローラー旋回ベアリングは、通常、2 つの軸方向軌道の間の実現可能な最大の垂直距離で設計されます。

ローラーガイドとケージ機能

各列の円筒形ローラーは、ローラー間の円周方向の間隔を均一に維持し、ローラーのゆがみを防止し、荷重が 1 つの領域に集中するのではなく、ベアリングの全周に均等に分散されるようにするケージまたはスペーサーによってガイドされます。一部の設計では、特に非常に大きなベアリングの場合、個々のスペーサー ブロックが完全なケージと置き換わるため、より多くのローラーを各列に詰め込むことができ、負荷容量がさらに増加し​​ます。適切なローラーガイドは、旋回ベアリングが長い耐用年数にわたって提供することが期待されるスムーズで低摩擦の回転に不可欠です。

主なパフォーマンス特性

3 列の専用ローラー列と円筒形の線接触形状の組み合わせにより、3 列ローラー旋回ベアリングは、重荷重用途において他のタイプの旋回ベアリングよりも明らかに優れた性能プロファイルを実現します。次の特性により、その運用能力が定義されます。

• 優れた耐荷重: 3 列設計は、あらゆる旋回ベアリング構成の中で最高の静的および動的定格荷重を達成し、数百トンのリフト能力を持つ機械の標準的な選択肢となっています。
• 高いモーメント抵抗: 2 つの軸方向ローラー列の間の軸方向の間隔が広いため、大きなモーメント アームが形成され、ベアリングが変形や軌道面の損傷を受けることなく、巨大な傾斜モーメントに耐えることができます。
• 剛体リング構造: 3 リング構造により、荷重時のリングのたわみに対する優れた耐性が得られ、ピーク荷重がかかっても軌道形状とローラーの接触状態が維持されます。
• 低い作動摩擦: 非常に高い負荷を運ぶにもかかわらず、円筒形ローラーは滑り接触要素よりも低い転がり摩擦を生成し、旋回駆動における駆動トルク要件とエネルギー消費を削減します。
• 長寿命: 分散された荷重経路により、単一の接触点におけるピーク応力が軽減され、建設機械や産業機械の厳しいデューティサイクルを満たす疲労寿命の向上に貢献します。

他の旋回軸受タイプとの比較

3 列ローラーの設計がより広範な旋回ベアリングのどの分野に適合するかを理解するには、回転機械で使用される他の一般的な構成と直接比較することが役立ちます。

主な産業用途

3 列ローラー旋回ベアリングの優れた耐荷重とモーメント容量により、重工業や建設における最も要求の厳しい回転ジョイントの標準仕様となっています。そのアプリケーションには共通の要件があります。それは、同時に大きな軸方向、半径方向、モーメントの荷重がかかる状態での大径回転です。

• クローラークレーンおよびラティスブームクレーン: 大型クローラークレーンの上部構造と下部構造の接続には、3 列ローラー旋回ベアリングが使用されており、360 度完全に回転しながら、数百トンを超えるブームの荷重をサポートします。
• 大型油圧ショベル： 大型採掘掘削機のハウス回転ジョイントは、上部構造の合計重量、バケット荷重、動的掘削力に対処するために 3 列ローラー設計に依存しています。
• 海洋掘削プラットフォーム: 海洋設備のタレット係留、クレーン台座、および回転デッキ機器には、高モーメント耐性と耐食性を備えた 3 列ローラー ベアリングが必要です。
• 風力タービンのヨー システム: 大型のマルチメガワット風力タービンは、変化する風向に対応するためにナセルを回転させるために 3 列ローラー旋回ベアリングを使用します。この場合、ベアリングはローター推力による巨大な転倒モーメントに耐えなければなりません。
• 重工業用ポジショナーおよびターンテーブル: 製鉄所の設備、重製造ポジショナー、および大型マテリアル ハンドリング ターンテーブルでは、これらのベアリングを使用して、巨大な静荷重下でも安定した低摩擦の回転を実現します。

潤滑とメンテナンスの考慮事項

適切な潤滑は、3 列ローラー旋回ベアリングの耐用年数の基本です。 3 つのローラー列はそれぞれ独自の軌道セットで動作し、金属間の接触を防ぎ、摩擦を軽減し、腐食を防ぐために、すべての接触面に適切なグリースを供給し続ける必要があります。ほとんどの大型旋回ベアリングには、分解せずに各軌道キャビティにグリースを直接注入できるグリースニップルまたはリングに開けられた潤滑チャネルが装備されています。すべてのローラー接触部の全周を確実に覆うために、グリースを塗布する間、ベアリングをゆっくりと回転させる必要があります。

シール システム (通常はベアリングの内周と外周の溝に取り付けられたマルチリップ ゴム シール) は、摩耗を急速に促進する水、塵、研磨粒子の侵入から軌道空洞を保護します。屋外または海洋環境では、シールの完全性が特に重要であり、体系化されたメンテナンス プログラムの一環として定期的に検査する必要があります。ベアリングのリングボルトも定期的に正しい予圧をチェックする必要があります。これは、周期的な負荷がかかるとボルトが緩むと、リングがたわみ、軌道の形状が変化し、疲労損傷が加速する可能性があるためです。

結論

3 列ローラー旋回ベアリングは、機械工学の最も要求の厳しい課題の 1 つに対する正確に設計されたソリューションです。つまり、過酷な繰り返し条件下で、大型回転ジョイントにかかる同時のアキシアル荷重、ラジアル荷重、および転倒モーメントをサポートします。 3 リング構造、3 つの専用ローラー列、円筒形の線接触形状が連携して、同等の直径の他のベアリング構成では匹敵しない耐荷重性と耐モーメント性を実現します。クローラー クレーンからオフショア プラットフォームに至るまで、大型回転機械を指定するエンジニアにとって、現場での安全性、信頼性、長寿命を保証する情報に基づいた設計上の決定を行うには、このベアリング タイプの定義と動作原理を理解することが不可欠です。